Tranzistory Část 3. Z čeho jsou vyrobeny tranzistory

Začátek článku: Historie tranzistorů, Tranzistory: účel, zařízení a principy činnosti, Vodiče, izolátory a polovodiče

Čisté polovodiče mají stejné množství volných elektronů a děr. Jak bylo řečeno, takové polovodiče se nepoužívají k výrobě polovodičových zařízení v předchozí části článku.

Pro výrobu tranzistorů (v tomto případě také znamenají diody, mikroobvody a vlastně všechna polovodičová zařízení) se používají polovodiče typu n a p: s elektronickou vodivostí a vodivostí děr. V polovodičích typu n jsou hlavními nosiči náboje elektrony a díry v polovodičích typu p.

Polovodiče s požadovaným typem vodivosti se získají dotováním (přidáním nečistot) do čistých polovodičů. Množství těchto nečistot je malé, ale vlastnosti polovodiče se mění nad rámec rozpoznávání.

Dopanti

Tranzistory by nebyly tranzistory, pokud by nepoužily tři a pětimocné prvky, které se používají jako legující nečistoty. Bez těchto prvků by bylo jednoduše nemožné vytvořit polovodiče různé vodivosti, vytvořit pn (čte pe - en) spojení a tranzistor jako celek.

Na jedné straně se jako trojmocné nečistoty používají indium, gallium a hliník. Jejich vnější obal obsahuje pouze 3 elektrony. Takové nečistoty odebírají elektrony z atomů polovodiče, což má za následek, že vodivost polovodiče se stává děrou. Takové prvky se nazývají akceptory - „odběratel“.

Na druhé straně se jedná o antimon a arzén, což jsou pentavalentní prvky. Na své vnější oběžné dráze mají 5 elektronů. Když vstoupí do štíhlých řad krystalové mřížky, nemohou najít místo pro pátý elektron, zůstává volný a vodivost polovodiče se stává elektronem nebo typu n. Takové nečistoty se nazývají dárci - „dárce“.

Obrázek 1 ukazuje tabulku chemických prvků, které se používají při výrobě tranzistorů.

Obrázek 1. Vliv nečistot na vlastnosti polovodičů

I v chemicky čistém krystalu polovodiče, například v germaniu, jsou obsaženy nečistoty. Jejich počet je malý - jeden atom nečistoty na miliardu atomů samotného Německa. A v jednom kubickém centimetru se ukáže asi padesát tisíc miliard cizích těles, která se nazývají atomy nečistoty. Jako hodně?

Tady je čas si uvědomit, že při proudu 1 A prochází dirigent 1 Coulomb, nebo 6 * 10 ^ 18 (šest miliard miliard) elektronů za sekundu. Jinými slovy, není tolik atomů nečistot a dávají polovodiči velmi malou vodivost. Ukázalo se, že je to špatný dirigent, nebo ne velmi dobrý izolátor. Obecně polovodič.

Jak je polovodič s vodivostí n

Podívejme se, co se stane, když se do germaniového krystalu zavede pětimocný atom antimonu nebo arzenu. To je zcela jasně znázorněno na obrázku 2.

Obrázek 2. Zavedení 5-valenční nečistoty do polovodiče.

Krátký komentář k obrázku 2, který měl být proveden dříve. Každá linie mezi sousedními atomy polovodiče na obrázku by měla být dvojitá, což ukazuje, že ve vazbě jsou zapojeny dva elektrony. Taková vazba se nazývá kovalentní a je zobrazena na obrázku 3.

Obrázek 3. Kovalentní vazba v křemíkovém krystalu.

Pro Německo by byl vzorec úplně stejný.

Do krystalové mřížky se zavádí pentavalentní atom nečistoty, protože prostě nemá kam jít.Používá čtyři ze svých pěti valenčních elektronů k vytvoření kovalentních vazeb se sousedními atomy a je zaveden do krystalové mřížky. Ale pátý elektron zůstane volný. Nejzajímavější je, že atom samotné nečistoty se v tomto případě stává kladným iontem.

Nečistota je v tomto případě nazývána dárcem, dává polovodiči další elektrony, které budou hlavními nosiči náboje v polovodiči. Samotný polovodič, který přijal další elektrony od dárce, bude polovodič s elektronickou vodivostí nebo typu n - negativní.

Nečistoty se zavádějí do polovodičů v malých množstvích, pouze jeden atom na deset milionů atomů germania nebo křemíku. Ale to je stokrát liché více, než je obsah vnitřních nečistot v nejčistším krystalu, jak bylo napsáno výše.

Pokud nyní připojíme galvanický článek k výslednému polovodiči typu n, jak je znázorněno na obrázku 4, pak se elektrony (kruhy s mínus uvnitř) pod vlivem elektrického pole baterie poběží k jejímu pozitivnímu závěru. Záporný pól současného zdroje dá krystalu tolik elektronů. Proto bude polovodičem protékat elektrický proud.

Obrázek 4

Šestiúhelníky, které mají uvnitř znaménko plus, nejsou nic jiného než atomy nečistoty, které darují elektrony. Nyní jsou to kladné ionty. Výsledek výše uvedeného je následující: zavedení donoru nečistot do polovodiče zajišťuje vstřikování volných elektronů. Výsledkem je polovodič s elektronickou vodivostí nebo typ n.

Pokud se atomy látky se třemi elektrony na vnější oběžné dráze, jako je indium, přidají do polovodiče, germania nebo křemíku, bude výsledek, upřímně řečeno, opak. Toto spojení je znázorněno na obrázku 5.

Obrázek 5. Zavedení 3-valenční nečistoty do polovodiče.

Pokud je k takovému krystalu připojen aktuální zdroj, bude mít pohyb otvorů uspořádaný charakter. Fáze posunu jsou znázorněny na obrázku 6.

Obrázek 6. Fázové vodivé fáze

Díra umístěná v prvním atomu vpravo, je to jen trojmocný atom nečistoty, zachycuje elektron od souseda vlevo, v důsledku čehož díra v něm zůstává. Tato díra je zase vyplněna elektronem vytrženým od jejího souseda (na obrázku je opět doleva).

Tímto způsobem se vytvoří pohyb pozitivně nabitých otvorů z kladného pólu na záporný pól baterie. Toto pokračuje, dokud se díra nepřiblíží zápornému pólu zdroje proudu a není z něj vyplněna elektronem. Současně elektron opouští svůj atom ze zdroje nejblíže kladnému terminálu, získá se nová díra a proces se opakuje znovu.

Aby nedošlo k záměně s tím, jaký typ polovodiče se získá, když se zavede nečistota, stačí si pamatovat, že slovo „dárce“ má písmeno en (záporné) - získá se polovodič typu n. A ve slově akceptor je písmeno pe (pozitivní) - polovodič s vodivostí p.

Běžné krystaly, například Německo, ve formě, v jaké existují v přírodě, jsou nevhodné pro výrobu polovodičových zařízení. Skutečnost je taková, že obyčejný přírodní krystal germania se skládá z malých krystalů pěstovaných společně.

Nejprve byl výchozí materiál vyčištěn od nečistot, poté bylo germanium roztaveno a do získané taveniny bylo vloženo semeno - malý krystal s pravidelnou mříží. Semeno pomalu rotovalo v tavenině a postupně stoupalo. Tavenina obalila semeno a chlazení vytvořilo velkou krystalickou tyč s pravidelnou krystalovou mříží. Vzhled získaného monokrystalu je znázorněn na obrázku 7.

Obrázek 7

Při výrobě monokrystalu bylo do taveniny přidáno dopant typu p nebo n, čímž byla získána požadovaná vodivost krystalu. Tento krystal byl rozřezán na malé desky, které se v tranzistoru staly základnou.

Sběratel a emitor byly vyrobeny různými způsoby. Nejjednodušší bylo, že malé kusy india byly umístěny na protilehlé strany desky, které byly svařeny, ohřívaly kontaktní bod na 600 stupňů. Po ochlazení celé struktury získaly oblasti nasycené indiem vodivost typu p. Získaný krystal byl nainstalován v pouzdru a elektrody byly spojeny, čímž byly získány legované rovinné tranzistory. Konstrukce tohoto tranzistoru je znázorněna na obrázku 8.

Obrázek 8

Tyto tranzistory byly vyrobeny v šedesátých letech dvacátého století pod značkou MP39, MP40, MP42 atd. Nyní je to téměř výstava muzea. Nejpoužívanější tranzistory struktury p-n-p obvodu.

V roce 1955 byl vyvinut difuzní tranzistor. Podle této technologie byla pro vytvoření oblastí kolektoru a emitoru umístěna germálová deska do plynné atmosféry obsahující páry požadované nečistoty. V této atmosféře byla deska zahřátá na teplotu těsně pod bodem tání a udržována po požadovanou dobu. V důsledku toho pronikly atomy nečistoty do krystalové mřížky a vytvářely pn křižovatky. Takový proces se nazývá difúzní metoda a samotné tranzistory se nazývají difúze.

Je třeba říci, že kmitočtové vlastnosti slitinových tranzistorů jsou příliš žádoucí: mezní frekvence není více než několik desítek megahertzů, což vám umožňuje použít je jako klíč při nízkých a středních frekvencích. Takové tranzistory se nazývají nízkofrekvenční a s jistotou zesílí pouze frekvence zvukového rozsahu. Přestože křemíkové germaniové tranzistory byly již dlouho nahrazeny křemíkovými tranzistory, germaniové tranzistory se stále vyrábějí pro speciální aplikace, kde je zapotřebí nízké napětí, aby se zářič vysílal směrem dopředu.

Křemíkové tranzistory jsou vyráběny planární technologií. To znamená, že všechny přechody jdou na jeden povrch. Téměř úplně nahradili germaniové tranzistory z diskrétních obvodů a používají se jako součásti integrovaných obvodů, kde germanium nebylo nikdy použito. V současnosti je tranzistor germania velmi obtížný.

Čtěte dále v následujícím článku.

Boris Aladyshkin